国际研究团队破解了碘如何帮助形成云的化学密码

由CUBoulder研究人员领导的一个国际团队破解了驱动大气中碘粒子形成的化学密码，揭示了该元素如何导致云层覆盖增加和消耗地球保护性臭氧层中的分子。

这项研究在世界上最大的粒子物理实验室欧洲核子研究组织(CERN)进行，今天发表在《自然化学》杂志上。这是世界上第一次有任何实验证明了碘的气相形式(称为碘酸)如何形成的机制，并表明它在大气颗粒形成中具有重要作用。

它是在全球大气中碘含量增加的时候出现的，目前的水平是70年前的三倍。研究人员希望有关碘与大气相互作用的新知识可以添加到全球大气和气候模型中，以帮助科学家更好地了解其对环境的影响——例如增加的云量，这可能会加剧与全球变暖相关的北极海冰变薄。

“这篇论文在碘的来源、它们如何排放到大气中以及粒子形成之间建立了联系，粒子形成通过随后的生长形成种子云，”该论文的共同主要作者、CU化学教授RainerVolkamer说。Boulder和环境科学研究合作研究所(CIRES)的研究员。“这种联系以前不存在，现在我们已经在分子水平上建立了这种联系。”

碘源和大气颗粒形成之间缺失的机械联系是一个多步骤过程。首先，氧化碘自由基与自身结合，然后与臭氧和水反应生成碘酸，副产物是(单线态)氧和次碘酸。

碘是一种常见的高反应性元素，可形成自由基物质，在大气中发生持续数秒至数分钟的快速化学反应。大气中发现的大多数碘都来自海洋——在那里它以碘化物的形式存在，也存在于食盐中。在过去70年里，它在大气中的含量增加了三倍，这与人为空气污染的增加有关：由于有害的地面臭氧与海洋中的碘化物发生反应，它会向大气中释放挥发性碘气体。

虽然对碘的研究已有150年的历史，但直到近二十年，Volkamer等研究人员才揭示了它在大气中的重要作用。2020年，Volkamer、CUBoulder和CIRES的研究人员发表了一项研究，展示了碘如何到达平流层并侵蚀保护地球免受有害紫外线辐射的臭氧。

Volkamer说：“与其他卤素一样，碘是这个街区的新成员，它可以促进臭氧层的恢复。”

碘是一种常见的高反应性元素，由于其化学相互作用，它可以增加云层覆盖并破坏臭氧。科学家们现在了解离子酸(HIO3)在大气中是如何形成的。图片来源：HenningFinkenzeller

辨别化学过程

为了研究这个缺失的环节，研究小组求助于CERN，那里拥有观察和收集这些粒子数据所需的原始条件。在这里，一项名为CLOUD(CosmicsLeavingOutdoorDroplets)的实验已成为世界领先的实验室实验，用于研究气溶胶和云形成的其余知之甚少的方面。

Volkamer的研究小组，即大气微量分子光谱(ATMOSpec)实验室，是美国仅有的三所参与该合作的大学之一(另外还有加州理工学院和卡内基梅隆大学)，还有16个欧洲合作伙伴。

“这是世界上唯一存在的此类实验，”Volkamer说。“很荣幸能成为合作的一部分，并在这样的研​​究背景下领导它。”

在欧洲核子研究中心的云室中，研究人员可以进入实验室环境，可以完美控制温度、压力、湿度、臭氧浓度和碘浓度等条件，还可以使用类似于太阳光谱不同方面的不同光源。

通过设置这种可能发生或不发生某些反应的人造室内气氛，科学家们可以准确地收集有关形成和生长粒子的碘化学反应的数据。

“这是一个很好的例子，实验和计算结合在一起来回答一个他们自己都无法回答的问题，”赫尔辛基大学化学教授、该研究的共同主要作者TheoKurten说。

为了确定他们在实验室中观察到的结果是否适用于现实世界，他们还在印度洋南部留尼汪岛上的Maïdo天文台周围的空气中测试了他们的发现——一个远离人类活动影响的偏远地区——以及能够证实他们的实验室结果。

对气候的催化作用

与硫(或硫酸)等其他元素不同，碘不需要其他分子(称为“碱”)的帮助即可形成大气颗粒。研究人员发现，与其他元素相比，它在这个过程中也非常有效。

因此，碘酸颗粒的形成不仅限于沿海碘热点或这些化学碱可用的地方，而是可以在整个大气中发生。

“这是一种全球现象，碘在粒子形成中的全球意义可能比目前想象的要大，”该论文的共同主要作者HenningFinkenzeller说，他在CUBoulder的论文的一部分。

Finkenzeller说，碘从根本上不同于其他形成粒子的蒸汽，因为它能够启动大气粒子的形成，而且一个碘原子可以多次启动这一过程。这种在粒子形成中的催化作用增强了它在大气中所到之处的影响，无论这种作用是消除保护性臭氧分子还是增加云层覆盖。

由于人类活动增加了大气中碘的可用性，由于我们对世界各地空气质量的负面影响，这种短暂元素的影响可能会持续很长时间。随着北极海冰融化，更多的碘可以进入大气层，增加云层覆盖，增强该地区的变暖效应。在热带地区，风暴可以将这种碘送入大气层，影响我们的保护性臭氧层。

Volkamer说：“我们仍然需要更好地了解碘回收化学。但现在我们了解了来源机制，我们离了解过量碘如何影响地球大气中的粒子形成、云和臭氧恢复又近了一步。”